Інформація про викладача
Інформація для викладачів
Опис
Експериментальна установка
Енергія вітру, як і сонячна енергія, є відновлюваною формою енергії, за винятком того, що вона використовується людиною протягом століть. У минулому енергію вітру перетворювали на механічну енергію, наприклад, у вітряках. У більш пізній час електрична енергія стала вироблятися за допомогою вітрових турбін. Однак, як і у випадку з сонячною енергією, ця енергія не виробляється саме тоді, коли вона потрібна, тому люди залежать від вітру. Для того, щоб використовувати енергію вітру більш ефективно, її потрібно зберігати, що наразі можливо, наприклад, за допомогою водню.
Додаткова інформація для викладачів (1/2)
Попередні знання
В якості попередніх знань студенти повинні знати хімічний склад води і бути знайомі з хімічною реакцією між воднем і киснем.
Принцип
Енергія вітру виробляє напругу за допомогою генератора, яка використовується для розділення води на водень і кисень. Газ, який відносно легко зберігати, за потреби може бути перетворений знову на воду та електричну енергію за допомогою паливного елемента.
Додаткова інформація для викладачів (2/2)
Мета навчання
Учні ы студенти повинні дослідити, як за допомогою енергії вітру можна розщепити воду на складові.
Завдання
Перевірте, чи може воднева установка працювати з вітровою енергією.
Інформація для студентів
Мотивація
Реакція взаємодії між воднем і киснем має багато застосувань у системах накопичення енергії. Особливий інтерес викликає зберігання енергії вітру за допомогою водневих паливних елементів.
Матеріал
| Позиція | Матеріал | Пункт №. | Кількість |
|---|---|---|---|
| 1 | Штативний стрижень, нерж. ст., l=600 мм, d = 10 мм | 02037-00 | 2 |
| 2 | Повітродувка, 12 В | 05750-00 | 1 |
| 3 | З'єднувальний прямий з роз'ємом модуль SB | 05601-10 | 2 |
| 4 | З'єднувальний, прямий, модуль SB | 05601-01 | 1 |
| 5 | Ковзна опора для оптичної лави | 09822-00 | 1 |
| 6 | Основа штатива, PHYWE | 02001-00 | 1 |
| 7 | Секундомір, цифровий, 24 години, 1/ 100 с та 1 с | 24025-00 | 1 |
| 8 | Генератор з віссю різьби і гайками для кріплення | 05751-01 | 1 |
| 9 | Ротор, 2 шт. | 05752-01 | 1 |
| 10 | З'єднувальний провідник, 500 мм, синій | 07361-04 | 2 |
| 11 | З'єднувальний провідник, 500 мм, червоний | 07361-01 | 2 |
| 12 | Рулетка, l=2 м | 09936-00 | 1 |
| 13 | З'єднувальний, кутовий, модуль SB | 05601-02 | 4 |
| 14 | Двигун, 5 В, модуль SB | 05660-00 | 1 |
| 15 | Мензурка, низька, 400 мл | 46055-00 | 1 |
| 16 | Система для зберігання газу, SB | 05666-00 | 2 |
| 17 | PEM електролізер з мембраною протонного обміну (МПО), SB | 05665-00 | 1 |
| 18 | PEM - подвійний паливний елемент, SB | 05664-00 | 1 |
| 19 | PHYWE Джерело живлення пост. струм: 0...12 В, 2 A / змін. струм: 6 В, 12 В, 5 A | 13506-93 | 1 |
Інформація про безпеку
Інформація з техніки безпеки
H: 220 / 270
P: 210 / 220
Кисень - безбарвний, без запаху і смаку окислювальний газ. При контакті з легкозаймистими речовинами є пожежонебезпечним.
Водень - безбарвний горючий газ без запаху і смаку, який легко утворює вибухонебезпечні суміші з повітрям. При проведенні експериментів з воднем необхідно заздалегідь усунути всі джерела займання.
Одягайте захисні окуляри.
Підготовка (1/10)
Зберіть експериментальну установку з двох регульованих частин основи штатива і двох штативних стрижнів (рис. 1 і 2).
Рис. 1
Рис. 2
Підготовка (2/10)
Закріпіть вентилятор в лівій частині основи штатива таким чином, щоб сторона з роз`ємами була звернена в бік від стрижнів (рис. 3).
Рис. 3
Підготовка (3/10)
Встановіть на вісь генератора два ротори один за одним (рис. 4).
Потім рівномірно розташуйте шість лопатей (крил) на відстані один від одного (рис. 5).
Рис. 4
Рис. 5
Підготовка (4/10)
Встановітьгенератор на ковзну опору та помістить його на стержні штатива (рис. 6).
Під'єднайте джерело живлення та вентилятор. Вентилятор повинен бути підключений до виходів постійної напруги (рис. 7).
Рис. 6
Рис. 7
Підготовка (5/10)
Підключіть два лінійних модулі з роз'ємом для підключення, а також два резервуари для зберігання газу та електролізер PEM, позначений синім кольором, як показано на рис. 8.
Підключіть обидва резервуари для зберігання газу до електролізера PEM за допомогою двох трубок.
Рис. 8
Підготовка (6/10)
Приєднайте трубку до вільного кінця кожного резервуара з газом, що залишився, і зафіксуйте кожну трубку хомутом (рис. 9).
Зберіть електричну схему з паливного елемента, двигуна та з'єднувальних модулів, як показано на рис. 10.
Зверніть увагу на полюси. Під'єднайте позитивний полюс двигуна до позитивного полюса паливного елемента.
Рис. 9
Підготовка (7/10)
Тепер з'єднайте обидва вузли електричного кола, як показано на рис. 11. Перевірте полюси окремих елементів. Полюси зліва від паливного елемента, електролізера і двигуна повинні відповідати полюсам справа. Якщо необхідно, переверніть двигун і паливний елемент.
Рис. 10
Рис. 11
Підготовка (8/10)
Налийте приблизно 150 мл дистильованої води у склянку об'ємом 400 мл. Заповніть обидва резервуари для зберігання газу від верхньої до нижньої позначки (рис. 12).
Увага:Використовуйте тільки дистильовану воду.
Рис. 12
Рис. 13
Підготовка (9/10)
Відкрийте затискачі трубки так, щоб вода стікала в ємність для зберігання. Вільний кінець трубки слід підняти трохи вгору, щоб уникнути розливання води (рис. 13).
Знову затисніть трубку і під'єднайте вільні кінці трубки до паливного елемента (рис. 14).
Рис. 14
Рис. 15
Підготовка (10/10)
Дві додаткові трубки призначені для запобігання потрапляння води, що витікає, на контакти.
Тепер підключіть два лінійні модулі з роз'ємами до вітрогенератора відповідно до полярності: червоний відповідає позитивному полюсу, а синій - негативному (рис. 15).
Отже, експериментальна установка має виглядати, як показано на рис. 16.
Рис. 16
Виконання роботи (1/3)
Спочатку запишіть поточний рівень заповнення обох резервуарів для газу в розділі "Результат" у протоколі (1).
Увімкніть блок живлення та запустіть секундомір (рис. 17). Через 5 хвилин знову вимкніть блок живлення і запишіть рівень заповнення обох резервуарів для зберігання газу в пункті (2) розділу "Спостереження".
Відкрийте затискач трубки на кисневій стороні паливного елемента (див. маркування на паливному елементі та електролізері).
Виміряйте час роботи двигуна, коли Ви відкриваєте затискач трубки з боку водню.
Запишіть значення часу в пункті (3) розділу "Спостереженя".
Рис. 17
Виконання роботи (2/3)
Знову увімкніть джерело живлення і запустіть секундомір. Затискачі трубок все ще відкриті.
Спостерігайте протягом 5 хвилин за тим, що відбувається з двигуном, і занотуйте про те, що спостерігається в пункті (4) розділу "Спостереження", а також опишіть в пункті (5) те, що спостерігається в електролізері та двох резервуарах для зберігання газу протягом того ж часу.
Через ці 5 хвилин знову вимкніть живлення і поспостерігайте, чи працює двигун, і якщо так, то як довго. Запишіть свої результати в пункті (6) розділу "Спостереження".
Виконання роботи (3/3)
Спорожнення резервуара для зберігання газу:
При вимкненому блоці живлення від'єднайте провідники та лінійні модулі. Переконайтеся, що затискачі трубок закриті, і візьміться кожною рукою за один резервуар для зберігання газу. Не знімайте електролізер. Підніміть один з двох резервуарів для газу над склянкою і вилийте його вміст через край (рис. 18).
Зробіть те ж саме з другим резервуаром для газу.
Рис. 18
Протокол
Спостереження 1
Питання
Питання
Спостереження 2
Питання
Питання
Спостереження 3
Питання
Питання
Спостереження 4
Що відбувається з двигуном протягом 5 хвилин з відкритими затискачами (хомутами) трубок?
Спостереження 5
Що Ви спостерігаєте протягом 5 хвилин в електролізері та в резервуарах для зберігання газу?
Спостереження 6
Питання
Питання
Оцінка (1/5)
Скільки газу було отримано за 5 хвилин і чому ви не можете побачити це під час повторного циклу? Було виділено ____ водню та ____ кисню. Цього не можна спостерігати вдруге, оскільки ____ відкриті, і тому відбувається постійне ____, завдяки чому ____ виходить у ____.
Оцінка (2/5)
Як можна пояснити, що коли клеми розімкнуті, двигун врешті-решт починає працювати, але не відразу?
Оцінка (3/5)
Чому двигун працює довше, коли клеми розімкнуті, ніж коли вони замкнуті після вимкнення блоку живлення? Із ____ клемами питання витіснення не виникає. Там концентрація чистого газу збільшується лише за рахунок ____. Крім того, коли затискачі відкриті, значна частина чистого ____ також витікає зі змішаним газом, тому різниця в ____ між експериментами 1 і 2 є досить великою. А з більшою концентрацією в експерименті 2 паливний елемент працює довше, як і двигун.
Оцінка (4/5)
Які особливості з експериментів 1 і 2 є корисними для реального застосування, а які ні?
Оцінка (5/5)
Які існують переваги та недоліки використання вітрової енергії порівняно з сонячною? Багато енергії потрібно, зокрема, для освітлення, але саме тоді, коли ____ зазвичай не світить. З ____, навпаки, може пощастити, і зберігання не завжди буде необхідним, тоді як ____ потрібно зберігати завжди, щоб забезпечити освітлення у вечірній час. Однак, енергія втрачається на додатковому етапі зберігання.
Оцінка - додаткове завдання
Які форми відновлюваної енергії існують і що є первинними джерелами енергії?